CC BY
37Артемьев Н. С., Бондаренко М. В.
ТУШЕНИЕ РАЗЛИТОГО ЖИДКОГО НАТРИЯ ПРИ ПОЖАРЕ НА АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
В статье представлена методика расчёта количества огнетушащего порошкового вещества, необходимого для ликвидации горения жидкого натрия в реакторном зале атомной электростанции. Данная методика позволяет определить количество пожарных автомобилей порошкового тушения, требуемых для ликвидации горения на всей площади растекания жидкого натрия.
Ключевые слова: тушение пожаров на АЭС, безопасность людей на пожарах, жидкий натрий, площадь растекания.
Artemyev N., Bondarenko M. EXTINQUISHMENT OF A SPILT LIQUID SODIUM FIRES
The article presents calculation principles of firefighting dry powder substances necessary to extinquish a liquid sodium fire in a reactor hall of a nuclear power plant. The principles help calculate a required quantity of dry powder appliances necessary to suppress fires on a total area of a liquid sodium spill during a fire accident at a nuclear power plant.
Keywords: liquid sodium spill area, people's safety at fires, required quantity of manpower and technical resources.
На российских атомных электростанциях работают ядерные реакторы, имеющие одно-, двух- или трёхкон-турную систему теплоотвода от реактора. По конструкции они подразделяются на водо-водяные (ВВЭР) и уран-графитовые канальные типа РБМК (реактор большой мощности канальный).
Эксплуатируются также реакторы на быстрых нейтронах (далее БН) с двух-и трёхконтурной системой теплоотвода, где охлаждающим веществом является жидкий натрий.
Наиболее часто возгорания на АЭС происходят во вспомогательных помещениях, реакторных залах, помещениях
электротехнических устройств системы управления реактором и машинных залов. Большинство возникающих пожаров ликвидируется на начальной стадии автоматическими установками пожаротушения, персоналом АЭС и первым прибывшим подразделением пожарной охраны. Для тушения пожаров применяются внутренние пожарные краны, ручные огнетушители и передвижная пожарная техника. В качестве огнетушащих веществ используются вода, инертные газы, специальные порошковые составы, воздушно-механическая пена.
Наибольшую опасность и сложность представляют собой аварии с возникновением пожара на АЭС из-за внезапного разрыва трубопровода максимального диаметра системы охлаждения реактора с одновременным истечением жидкого натрия из обоих его концов. Скорость истечения теплоносителя из дефектного трубопровода (отверстия) может достигать 10 л/с [1, 4].
В реакторах типа БН первый и второй контуры заполнены жидким натрием, выполняющий функцию теплоносителя. Большая его часть находится в баке реактора с двойными стенками, пространство между которыми заполнено инертным газом. За пределы бака выходят только трубопроводы вспомогательных натриевых систем: очистки теплоносителя, замера расхода натрия через активную зону, дренирования и заполнения бака реактора.
В процессе работы реактора БН возможны ситуации с аварийным изли-вом жидкого натрия в технологические боксы. При контакте с воздухом происходит возгорание натрия. Воздействие
температуры на строительные конструкции, трубопроводы и аппараты внутри горящих помещений может привести к их разрушению. Основную опасность для обслуживающего персонала АЭС и пожарных представляют аэрозольные продукты сгорания натрия, количество которых зависит от массы горящей жидкости и газообмена на пожаре.
Утечка с последующим воспламенением жидкого натрия в отделении ядерного реактора может быть результатом прекращения охлаждения сердечника реактора, случайного взаимодействия натрия с веществами, находящимися в по-
мещении приготовления жидкого натрия, а также других неисправностей систем обеспечения работы реактора.
Вследствие высокой химической активности натрия для его тушения нельзя применять воду, а также пены на основе воды, хладоны, углекислый газ и некоторые виды огнетушащих порошковых веществ.
Длительность пожара для расчётного случая горения разлитого жидкого натрия (лужи) принимается один час, а при факельном горении - пять минут.
Основные характеристики пожарной опасности реакторов на быстрых нейтронах приведены в таблице 1.
Основные характеристики реакторов БН
Параметры Типы реакторов
БН-350 БН-600 БН-800
Мощность, МВт: - тепловая - электрическая 1 000 350 1 500 600 2 100 800
Теплоноситель натрий
Температура теплоносителя, °С: - на входе - на выходе 300 500 380 550 345 547
Расход натрия, т/ч 14 000 24 000 31 920
Температура натрия на втором контуре, °С: - на входе - на выходе 270 450 320 520 309 505
Температура пара, °С 435 505 450
Давление пара, МПа 5 14 13,7
Таблица 1
Практика ликвидации пожаров и аварий, связанных с жидким натрием, показывает, что возможное количество натрия, вытекающего из трубопроводов, клапанов и фланцевых соединений за расчётное время тушения пожара (1 час), изменяется от 1,5 % до 5 % его первоначального объёма в системе охлаждения реактора БН. А. К. Микеев в своих исследованиях оценивает истечение жидкого
натрия при пожарах на АЭС в пределах 10 % [1, 4]. Скорость истечения жидкого натрия из труб наибольшего диаметра системы охлаждения реактора достигает 10 л/с. Скорость выгорания растекающегося горящего натрия в реакторном зале составляет 16-25 кг/м2-ч, а при большом разливе и хорошем газообмене на пожаре этот показатель может достигать 42-54 кг/м2-ч [1,4].
Температура горения жидкого натрия на полу в помещении реакторного зала достигает 750-850 °С; в процессе тушения пожара она может понижаться до 650 °С и стабилизироваться. При факельном горении температура может достигать 1 600 °С.
Возможная площадь разлива теплоносителя, содержащего большое количество радиоактивных продуктов, из первого или второго контуров реактора БН, зависит от следующих параметров:
"^раст _ f(Wrк) Дтруб» "^деф' Кк:' ^дир' *7удА
где 1Утк - объём теплоносителя в контуре реактора; Дтруб - диаметр трубопровода, по которому течёт теплоноситель; 5деф -площадь истечения (дефекта, отверстия); Уис - скорость истечения натрия через дефект (отверстие) в трубопроводе; тдир -директивное (расчётное) время истечения натрия через отверстие в трубопроводе; дуд - удельный расход огнетушащего порошкового вещества, применяемого для тушения растекающегося жидкого натрия.
Объём жидкого натрия в системе охлаждения реакторов и контурах трубопроводов подвода и отвода теплоносителя может достигать 360-600 м3.
Натрий, вытекающий по желобам, каналам и трубопроводам, направляется в сборник; при этом он затвердевает, вследствие чего может закупорить всю дренажную систему.
Практически в горении участвует не более 10 % от всего объёма жидкого натрия, вытекающего из трубопроводов (отверстий); остальной натрий затвердевает в сборнике, каналах, желобах. Остаточное количество жидкого натрия на полу помещения реакторного зала составляет примерно 1,5-5 кг/м2; толщина его плёнки может достигать 0,15 м (средняя величина толщины плёнки жидкого натрия - 0,05 м).
При аварии на трубопроводе, когда жидкий натрий вытекает из трещины
(отверстия), расчётную площадь дефекта можно определить по формуле:
5ДеФ=8-Дтруб/4, (1)
где 5 - толщина стенки трубопровода, из которого истекает жидкий натрий, м; Дтруб - диаметр трубопровода по которому протекает жидкий натрий, м.
Расход жидкого натрия через дефект (отверстие) в трубопроводе определяется по формуле:
ас=5Деф-К,с , м3/с, (2)
где V - скорость истечения жидкого натрия через дефект в трубопроводе, равная 1-10 м/с.
Количество вытекающего из контура охлаждения реактора жидкого натрия за расчётное время тушения определяется по формуле:
^ис=Сис-сдир , м3,
где тдир - директивное (расчётное) время истечения натрия через дефект (отверстие) в трубопроводе, равное 3 600 с для передвижной пожарной техники и 300 с для автоматических установок пожаротушения.
Требуемая интенсивность подачи ог-нетушащего порошкового вещества должна быть не менее 0,3 кг/м2-с.
Возможная площадь растекания жидкого натрия с учётом толщины его слоя на полу реакторного зала будет равна
5раСТ=Кст^ис/Лсл , м2
или
^раст = Кст • Рис• Хдар /Ъ^ , м2,
где Исл - средняя толщина слоя жидкого натрия на полу в реакторном зале, м; Кст - коэффициент стока жидкого натрия
через дренажные и технологические проёмы, равный 0,4-0,6.
С учётом формулы (2) площадь растекания жидкого натрия будет равна
Количество огнетушащего порошкового вещества необходимое для ликвидации горения жидкого натрия определяется по формуле
' "^деф' Кк:' ^дир 2 /0Ч
раст =-^-, м . (3)
С учётом выражения (1) формула (3) будет иметь вид
с -
раст
Кст • 8 • Д Tpyg • • тдир ^ 2
4Д.,
, м.
МпоР=Зраст-<7уд-Лсл , KГ,
где дуд - количество огнетушащего порошка на один квадратный метр площади растекания жидкого натрия и на каждый сантиметр толщины слоя его плёнки (кг/м2-см). Величина данного параметра приведена в таблице 2.
Приведённые в таблице порошки обладают высокой огнетушащей способностью и тонут в расплавленном натрии.
Таблица 2
Расход огнетушащего вещества (ОТВ) для тушения жидкого натрия на полу реакторного зала
Наименование огнетушащих веществ Удельный расход ОТВ, кг/м2-см Средства подачи ОТВ
Глинозём 92-134 Ручные лопаты
Порошок ПГС-М 10
Порошок МГС 8-10 Ручные и лафетные стволы
Порошок ПГПМ с насадками-успокоителями
Порошок РС 9
Чем толще слой расплавленного жидкого натрия на полу реакторного зала, тем большее количество огнетушащего порошкового вещества требуется для ликвидации горения.
Пребывание пожарных в помещении, где концентрация натрия в продуктах сгорания составляет 2,5 мг/м3, допускается не более чем на две с половиной минуты, если они работают без средств защиты органов дыхания.
При концентрации продуктов сгорания натрия в горящем или соседних с ним помещениях 120-200 мг/м3 видимость вблизи реактора сильно снижает-
ся, появляются признаки раздражения глаз, ухудшения зрения и затруднения при дыхании.
Самый простой и доступный способ ликвидации горения жидкого натрия -это его слив в приёмные стационарные ёмкости, находящиеся вне реакторного зала, или же слив в поддоны, расположенные в нём. Также может применяться сбор негорящего жидкого натрия в специальные переносные ёмкости.
Горение можно ликвидировать с помощью огнетушащих порошков (см. табл. 2), которые подаются к очагу пожара из ручных, передвижных
и стационарных огнетушителей, снабжённых насадками-успокоителями, а также от порошковых пожарных автомобилей. Огнетушащий порошок может подаваться на расстояние до 25 метров из ручных стволов и до 40 метров из лафетного «крышевого» ствола пожарного автомобиля порошкового тушения.
Необходимый расход огнетушащего порошкового вещества для тушения жидкого натрия вычисляется по формуле:
Огр=МпооЛ.
пор/
дир'
где т и = 3 600 секунд.
Требуемое количество пожарных автомобилей порошкового тушения NАП для ликвидации горения на всей площади растекания жидкого натрия равно:
м,
пор
где К3 - коэффициент заполнения бака пожарного автомобиля огнетушащим порошком, равен 0,85; Wбп - объём бака для хранения огнетушащего порошкового вещества на пожарном автомобиле, м3; рп - плотность огнетушащего порошкового вещества, равная 1 200 кг/м3.
Таким образом, приведённая методика расчёта показала, что требуемое количество пожарных автомобилей порошкового тушения, необходимых для ликвидации горения на всей площади растекания жидкого натрия при аварии с возникновением пожара на атомной электростанции, явно превышает имеющиеся возможности подразделений пожарной охраны. Это требует коренным образом пересмотреть вопрос обеспечения подразделений пожарной охраны, под защитой которых находятся указанные объекты, пожарными автомобилями порошкового тушения и специальными огнетушащими порошками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микеев А. К. Противопожарная защита АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Рекомендации по планированию, организации и ведению боевых действий подразделениями ГПС при тушении пожаров на АЭС в условиях радиационной аварии. - М.: ГУГПС и ВНИИПО, 2002.
3. Кишкурно В. Т., Кокшаров А. И. Основы технологии, пожарная опасность и противопожарная защита радиационных производств и атомных электростанций. - Челябинск, 2001.
4. Микеев А. К. Пожары на радиационно-опасных объектах. Факты, выводы, рекомендации. - М.: ВНИИПО, 2000.
